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PREGUNTAS PRIMER PARCIAL

1. D Defin efin efinició ició ición nd de e máq máquin uin uinaa té térmi rmi rmica, ca, mo motor tor tér térmico mico mico,, m moto oto otores res de com combu bu bustió stió stión n in intern tern ternaa y m motor otor otores es de com combus bus bustión tión ex exter ter terna. na. •

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En las maquinas hidráulicas se incluyen modernamente aquellas que emplean fluidos prácticamente incompresibles (líquidos) o fluidos que, siendo compresibles (gases), se comportan prácticamente como incompresibles. Esta última consideración permite clasificar el ventilador como máquina hidráulica En las máquinas TÉRMICAS, por el contrario, evolucionan fluidos que tienen una compresibilidad no despreciable. Dicha compresibilidad juega un papel muy importante en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido y el eje de la máquina ya que, como enseña la termodinámica, la variación del volumen específico es el proceso que permite la transformación de energía térmica en mecánica y, por tanto, su posterior aparición en el eje de 1ª máquina. Un ejemplo es la turbina de vapor. El fluido donde se aporta la energía térmica, constituido por los productos de la combustión, es diferente del fluido que circula por las máquinas. El que los fluidos sean diferentes es lo que caracteriza al MOTOR DE COMBUSTION EXTERNA. El fluido donde se aporta la energía térmica del combustible coincide con el que evoluciona en las máquinas. Esta coincidencia es lo que caracteriza al MOTOR DE COMBUSTION INTERNA.

2. Cl Clasi asi asific fic ficació ació ación n mo motor tor tores es d de e co combus mbus mbustión tión in inter ter terna na y ext extern ern ernaa

3. Cl Clasi asi asific fic ficació ació ación n de las m máqu áqu áquinas inas tér térmic mic micas. as.

4. D Difer ifer iferen en encias cias en entre tre moto motorr y máq máqui ui uina na térm térmico ico icos. s. Motor térmico es el conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica generada en el mismo por un proceso de combustión tradicional o por una reacción nuclear. En las máquinas TÉRMICAS, por el contrario, evolucionan fluidos que tienen una compresibilidad no despreciable. Dicha compresibilidad juega un papel muy importante en el intercambio energético que tiene lugar entre el fluido y el eje de la máquina ya que, como enseña la termodinámica, la variación del volumen específico es el proceso que permite la transformación de energía térmica en mecánica y, por tanto, su posterior aparición en el eje de 1ª máquina. Un ejemplo es la turbina de vapor. A modo de ejemplo, Para realizar un ciclo de vapor hacen falta, al menos, los elementos siguientes: bomba de alimentación, generador de vapor y turbina (el condensador será necesario si el ciclo es cerrado). Al conjunto de estos elementos lo definimos como motor térmico pero dicho conjunto lo integran: una máquina hidráulica generadora (bomba de alimentación), un generador de vapor y una máquina térmica motora (turbina). El conjunto turbina de gas es un motor térmico formado por un turbocompresor (máquina térmica generadora), una cámara decombusti6n y una turbina (máquina térmica motora).

5. Ju Justif stif stificar icar por q qué ué aall au aume me mentar ntar la tem temper per peratu atu atura ra de adm admisió isió isión n een n llaa tur turbin bin binaa d de e va vapor por por,, aaume ume umenta nta el rend rendimi imi imient ent ento o té térm rm rmico ico y el tra trabajo bajo es especí pecí pecífico fico fico.. Cuando se eleva la temperatura del vapor a la entrada de la turbina, manteniendo la presión de admisión y la presión del condensador constantes, el rendimiento térmico del ciclo aumenta. Esto es debido a que la temperatura termodinámica media de aportación de calor aumenta. La subida de la temperatura puede considerarse como el resultado de añadir al ciclo otro de mayor rendimiento puesto que la temperatura media de aportación de calor en este último es mayor y ambos tienen la misma temperatura de cesión de calor. La suma de un ciclo de mayor rendimiento conduce a un nuevo ciclo de rendimiento mayor que el inicial. Por otra parte, el salto entálpico en la turbina también se ve incrementado con el aumento de la temperatura inicial. El aumento de la temperatura inicial conlleva un aumento del título en el escape de la turbina y por tanto una disminución de la humedad, lo que mejora el rendimiento interno de la turbina. La mejora de rendimiento que se obtiene al elevar la temperatura del vapor vivo de 530 ºC a 540 ºC es del orden del 0,3%. El crecimiento de los gastos, en lo concerniente al generador de vapor y a los conductos de vapor vivo, es relativamente pequeño de manera que la rentabilidad de esta medida está garantizada. El aumento de la temperatura del vapor vivo de 540 ºC a 565 ºC mejora el rendimiento aproximadamente en un 0,79%, pero implica que deban utilizarse en la turbina materiales de mejores características que los empleados para temperaturas más bajas, aunque no necesariamente han de ser aceros austeníticos, excepción hecha de los álabes que puedan ya estar construidos en dicho material para temperaturas más bajas.

6. Al re realiz aliz alizar ar u un n rreca eca ecalenta lenta lentami mi miento ento in inter ter termed med medio io d de e llas as tturbi urbi urbinas nas de va vapor. por. ¿Au ¿Aum ment entaa sie siempr mpr mpre e el rend rendimi imi imient ent ento od del el cciclo iclo iclo?? ¿P ¿Por or qué qué?? En el ciclo con recalentamiento intermedio el vapor parcialmente expansionado en la turbina se vuelve a recalentar generalmente hasta una temperatura igual a la inicial. La ventaja fundamental de este ciclo consiste en la disminución de la humedad por el aumento del título en el escape de la turbina cuando se utilizan presiones de admisión altas. Esto representa una mejora del rendimiento interno de la turbina. Ahora bien, como ventaja adicional, se puede obtener una mejora del rendimiento térmico dependiendo de la presión a la que se realice el recalentamiento. El ciclo con recalentamiento intermedio se puede considerar como la suma de los ciclos 1 -2-3-4-1 y 4-R-3´-4´-4. Como la temperatura de cesión de calor es en ambos ciclos la misma, si la temperatura termodinámica media de aportación de calor del ciclo adicional ( AR T ) es mayor que la del primero ( a T ), el ciclo con recalentamiento intermedio resultante tendrá mayor rendimiento que el original de Rankine.

Existirá una temperatura TR óptima a la cual corresponderá la presión óptima de recalentamiento, que producirá la máxima ganancia de rendimiento térmico del ciclo. Esta ganancia máxima corresponde aproximadamente a realizar el recalentamiento cuando el vapor ha realizado un salto del orden de 1/3 del salto isentrópico total del ciclo original de Rankine, que coincide con una presión de aproximadamente de 1/4 ÷ 1/5 de la inicial. Al igual que cuando se analizó la temperatura de admisión del vapor vivo, es necesario estudiar la influencia de la elevación de la temperatura final de recalentamiento sobre el rendimiento del ciclo. El aumento de esta temperatura de 530 ºC a 540 ºC permite mejorar el rendimiento en un 0,2%. La elevación de esta temperatura de 540 ºC a 565 ºC mejora el rendimiento en un 0,4% aproximadamente.

7. ¿¿Qué Qué pro proble ble blem mas p pres res resent ent entaa la uti utiliza liza lización ción de pre presio sio siones nes ele elevad vad vadas as d de e ad admi mi misión sión een n la tur turbin bin binaa de vapo vapor? r? ¿Có ¿Cómo mo se res resuelv uelv uelve e eeste ste p probl robl roblem em ema? a? El aumento de la presión de admisión, manteniendo constantes la temperatura de admisión y la presión del condensador produce un aumento del rendimiento del ciclo. Dicho aumento es debido al incremento de la temperatura termodinámica media de aportación de calor. Ahora bien, a medida que se va aumentando más y más la presión dicha temperatura primero crece, después este crecimiento se frena y posteriormente llega a disminuir. Esto es debido a que cada vez va teniendo más importancia el calor aportado desde el punto 2 hasta la línea de saturación (línea límite inferior de vaporización), el cual se aporta a temperaturas relativamente bajas.

El rendimiento sigue también esta tendencia. Esta ley que sigue el rendimiento con el aumento de la presión, junto con otros factores, hacen problemática la viabilidad de las centrales supercríticas. Para evitar el efecto perjudicial de la zona izquierda del diagrama con el aumento de la presión se puede recurrir a elevar la temperatura del agua de alimentación de la caldera mediante el ciclo regenerativo. 8. ¿¿Cóm Cóm Cómo o sse ep pued ued uede ed dete ete etermi rmi rminar nar la pr presió esió esión nó ópti pti ptima ma de rec recalen alen alenta ta tamien mien miento to en u una na pla planta nta de pot poten en encia cia de vapo vaporr co con n com combu bu bustib stib stible le ffósil ósil ósil?? A medida que se aumenta la temperatura TR crecerá la temperatura termodinámica media del ciclo adicional,, pero su peso específico en el ciclo total será menor. Al contrario, sucede si se disminuye la temperatura TR; por lo tanto, existirá una temperatura TR óptima a la cual corresponderá la presión óptima de recalentamiento, que producirá la máxima ganancia de rendimiento térmico del ciclo. Esta ganancia máxima corresponde aproximadamente a realizar el recalentamiento cuando el vapor ha realizado un salto del orden de 1/3 del salto isentrópico total del ciclo original de Rankine, que coincide con una presión de aproximadamente de 1/4 ÷ 1/5 de la inicial. Es destacable que el recalentamiento por medio de un fluido intermedio auxiliar no se ha utilizado en centrales tradicionales de combustibles fósiles

9. ¿¿Qué Qué ra razon zon zones es ju justif stif stifica ica ican n la uti utiliza liza lización ción de la rrege ege egener ner neraci aci ación ón d del el ci ciclo clo de Ran Rankin kin kine? e? Discu Discutir tir ven ventaja taja tajass e in incon con conven ven venient ient iente. e. Si en un ciclo de Rankine se extrae calor de la expansión para precalentar el agua, de alimentación de la caldera, tendremos un ciclo regenerativo. Si se supone, por simplicidad, un ciclo de Rankine en el que la turbina se alimenta con vapor saturado seco, y el calor extraído en la expansión se aporta al agua de alimentación de la caldera (2-3) dicho ciclo tendrá un rendimiento similar al de Carnot, ya que la aportación de calor desde el foco caliente se hace toda a temperatura constante. Por otra parte, la cesión de calor se realiza también a temperatura constante TC. En todo caso, aunque la regeneración sólo se hiciese hasta una temperatura algo inferior a T3, resulta evidente que la temperatura termodinámica media de aportación de calor se elevaría respecto al caso del ciclo básico y por lo tanto el rendimiento térmico aumentaría, si bien en menor proporción.

Ventajas -

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El rendimiento térmico mejora por las razones expuestas con anterioridad. Hay que hacer notar que la cantidad de calor cedida al foco frío en el condensador, que son pérdidas, disminuyen. El flujo de vapor en los escalonamientos de baja presión disminuye por lo que no resulta tan crítica la sección de salida. Esto trae como consecuencia que no sea necesario aumentar la velocidad axial de circulación, que supondría mayores pérdidas de escape, para controlar la sección. Para un kg de vapor circulando por la caldera, el trabajo desarrollado por la turbina es menor que en el ciclo básico de Rankine a causa de las extracciones, por lo que para obtener la misma potencia es necesario aumentar el gasto de vapor en la caldera. Ahora bien, el gasto aumentará más en la zona de alta presión que en la de baja por lo que el rendimiento interno de la máquina aumenta ya que la zona de baja presión tiene, comparativamente, peor rendimiento a causa de la humedad.

Desventajas -

Aumento de la inversión económica. Aumento del peso de la instalación por la necesidad de incorporar más elementos. Disminución del trabajo específico. Riesgo de incendio en intercambiador.

10. Veri Verific fic ficar ar p por or q qué ué se dise diseñan ñan la lass pl plant ant antas as d de e po pote te tencia ncia co con n tu turbi rbi rbinas nas de vapo vaporr con pr presion esion esiones es en el cond conden en ensado sado sadorr in infer fer ferior ior iores es s la atm atmosf osf osférica érica érica.. Podemos decir que una disminución de la presión de condensación en un 20% (por ejemplo, de 0,06 bar a 0,05 bar) mejora el rendimiento en un 1%. Al mismo tiempo que se baja la presión en el condensador es necesario controlar la pérdida de energía cinética de salida del cuerpo de baja presión de la turbina. Actualmente se construyen cuerpos de baja presión (BP) con una sección de salida aproximadamente un 20% mayor que en el pasado, lo que permite obtener una disminución de la energía de salida desde valores comprendidos entre 35 y 45 kJ/kg hasta valores entre 28 y 40 kJ/kg, y por lo tanto una mejora del rendimiento de 0,57%. El crecimiento de costes de la turbina por este concepto es un porcentaje pequeño del coste total de la máquina. En la práctica las presiones de condensación más bajas utilizadas están en los 34 mbar. 11. ¿Co ¿Con nq qué ué o obje bje bjeto to se u utili tili tiliza za eell re recale cale calent nt ntami ami amiento ento in inter ter terme me medio dio en la lass pl plant ant antas as d de ep pote ote otenci nci nciaa de va vapor por de comb combus us ustibl tibl tible e fó fósil? sil? Como el fluido intermedio es un líquido las secciones de las tuberías son relativamente pequeñas. Para utilizar altas temperaturas en el fluido intermedio éste suele ser un metal fundido (amalgama de mercurio, metales alcalinos) o alguna sal. Al trabajar con presiones de admisión altas, aumenta la humedad y disminuye el rendimiento térmico. Por ello, se recurre al recalentamiento intermedio. En el que se recalienta el vapor parcialmente expansionado en la turbina hasta una temperatura igual a la inicial, de tal forma que se produce un aumento en el título de escape (disminución de la humedad), aumentando así el rendimiento interno de la turbina y en consecuencia del ciclo. 12 12.. ¿P ¿Por or qu qué é se uti utilizan lizan te tem mpera peratur tur turas as el elev ev evadas adas de vap vapor or vivo en las turb turbina ina inass d de e vvapo apo apor? r? ¿¿Qué Qué facto factorres lo limi limitan tan tan?? Cuando se eleva la temperatura del vapor a la entrada de la turbina, manteniendo la presión de admisión y la presión del condensador constantes, el rendimiento térmico del ciclo aumenta. Esto es debido a que la temperatura termodinámica media de aportación de calor aumenta. La subida de la temperatura puede considerarse como el resultado de añadir al ciclo otro de mayor rendimiento puesto que la temperatura media de aportación de calor en este último es mayor y ambos tienen la misma temperatura de cesión de calor. La suma de un ciclo de mayor rendimiento conduce a un nuevo ciclo de rendimiento mayor que el inicial. Por otra parte, el salto entálpico en la turbina también se ve incrementado con el aumento de la temperatura inicial. El aumento de la temperatura inicial conlleva un aumento del título en el escape de la turbina y por tanto una disminución de la humedad, lo que mejora el rendimiento interno de la turbina. La mejora de rendimiento que se obtiene al elevar la temperatura del vapor vivo de 530 ºC a 540 ºC es del orden del 0,3%. El crecimiento de los gastos, en lo concerniente al generador de vapor y a los conductos de vapor vivo, es relativamente pequeño de manera que la rentabilidad de esta medida está garantizada. El aumento de la temperatura del vapor vivo de 540 ºC a 565 ºC mejora el rendimiento aproximadamente en un 0,79%, pero implica que deban utilizarse en la turbina materiales de mejores características que los empleados para temperaturas más

bajas, aunque no necesariamente han de ser aceros austeníticos, excepción hecha de los álabes que puedan ya estar construidos en dicho material para temperaturas más bajas. El efecto negativo de la humedad en el rendimiento se debe fundamentalmente a: -

Erosiones en los álabes (acción mecánica, cavitación, impactos). Diferentes velocidades en magnitud , y sentido de las fases vapor y líquido. Rozamiento entre fases. Pérdidas de borde (aumento del espesor relativo del borde de ataque y en el juego axial entre estator y rotor). Pérdidas por choque

13 13.. ¿Qu ¿Qué é ven ventaj taj tajas as e inco inconv nv nveni eni eniente ente entess pr pres es esent ent entaa la reg regene ene enerac rac ración ión en las turb turbin in inas as d de e ga gass d de e ci ciclo clo simp simple? le? Entre las ve vent nt ntajas ajas podemos destacar: -

La regeneración aumenta el rendimiento Ejemplo: Turbina no regenerativa 30 ÷ 40% Turbina regenerativa 32 ÷ 43%

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Disminuye de manera notable la relación de compresión de máximo rendimiento, lo que incide favorablemente en el diseño del compresor.

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El aumento de la temperatura de admisión de la turbina T03 (o lo que es lo mismo de θ ) conduce a mayores aumentos del rendimiento del ciclo que en el caso de la turbina no regenerativa. Esta característica es importante desde el punto de vista del progreso que experimentan los materiales y las técnicas de refrigeración de álabes.

Entre los incon nconveni veni venien en entes tes citaremos: -

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Mayor peso de la instalación debido al intercambiador de calor y a la disminución del trabajo específico de la planta. Como la relación de compresión de máximo rendimiento es menor que la de máxima potencia, sobretodo si el rendimiento del cambiador es alto, es inevitable que una planta diseñada para alto rendimiento resulte penalizada en cuanto a volumen y peso. Los tamaños y pesos de los intercambiadores aumentan con sus respectivos rendimientos. Valores de 0,65 ÷ 0,85 son frecuentes en la práctica. El trabajo específico disminuye también ligeramente en la práctica debido a las pérdidas suplementarias de carga que supone la introducción de un cambiador. Debe tenerse en cuenta que en turbinas de gas las pérdidas de carga tienen más importancia relativa que en turbinas de vapor. El costo de la planta para una potencia dada aumenta, por lo que habrá que establecer una solución de compromiso entre los gastos de primer establecimiento y los de explotación. Posible riesgo de incendio en el intercambiador y, por tanto, destrucción del mismo debido a la combustión de depósitos carbonosos.

14. ¿Por qu qué é llas as tturbi urbi urbinas nas de gas d de e ci ciclo clo ssimp imp imple le rrege ege egener ner nerativ ativ ativo on no o se dis diseñ eñ eñan an co con n llaa re relació lació lación nd de e com compre pre presión sión d de em máxi áxi áximo mo tr trab ab abajo ajo esp específ ecíf ecífico? ico? La relación de compresión de máximo rendimiento es inferior a la de máxima potencia. Ello es debido a que la cantidad de calor aportado es creciente con la relación de compresión. El ciclo regenerativo se basa en la posibilidad de aprovechar el estado térmico a la salida de la turbina como fuente de calor para precalentar el aire a la salida del compresor y reducir, consecuentemente, la energía aportada en la cámara de combustión, de esta forma, lo que buscamos es un aumento del rendimiento. Para que esta transmisión de calor sea posible es necesario disponer de un gradiente suficientemente elevado que compense el empleo de un intercambiador de calor. Los ciclos regenerativos, se diseñan con relaciones de compresión más reducidas para disponer de un gradiente de temperaturas más elevado. 15. Dibu Dibujar jar el esq esque ue uema ma mec mecáni áni ánico co d deta eta etallad llad llado od de e un cic ciclo lo ccomb omb ombina ina inado do de gas y vvapor apor co con n calde caldera ra de rec recuper uper uperaci aci ación ón y gen gener er eraci aci ación ón d de e vvapor apor a u una na pre presión sió...